楊氏雙縫干涉

2022-08-01 12:54:18 字數 3680 閱讀 6641

考慮頻率相同,振動方向相同,具有恆定初始相位的兩列波的疊加。設這兩列波從空間兩定點\(s_1\)和\(s_2\)發出,波源的振動可分別表示為

\begin

\psi_=a_1\cos\left (\omega t+\varphi_ \right)

\end

\begin

\psi_=a_2\cos\left (\omega t+\varphi_ \right)

\end

其中\(\varphi_\)和\(\varphi_\)分別是兩波源振動的初相位。兩列波同時到達空間一點\(p\)處,\(p\)點到兩波源的距離分別是\(r_1\)和\(r_2\),波速分別為\(v_1\)和\(v_2\),如下圖所示,

圖1則\(p\)點處的振動為

\begin

\psi_1=a_1\cos\left [\omega\left (t-\frac\right)+\varphi_ \right ]=a_1\cos\left (\omega t+\varphi_ \right)

\end

\begin

\psi_2=a_2\cos\left [\omega\left (t-\frac\right)+\varphi_ \right ]=a_2\cos\left (\omega t+\varphi_ \right)

\end

合振動強度

\begin

i=a^2=i_1+i_2+2\sqrt\cos\delta \varphi

\end

其中相位差為

\begin

\delta \varphi = \omega\left (\frac-\frac\right )-(\varphi_-\varphi_)

\end

如果兩振動相位相同,

\begin

\delta \varphi = \pm 2k\pi, k=0,1,2,\dots

\end

合振動強度達到最大,稱為干涉相長。

如果兩振動相位相反,

\begin

\delta \varphi = \pm (2k+1)\pi, k=0,1,2,\dots

\end

合振動強度達到最小,稱為干涉相消。

對於光波,相位差

\begin

\begin

\delta \varphi &= \omega\left (\frac-\frac\right )-(\varphi_-\varphi_)\\

&=\frac\left (\frac-\frac\right )-(\varphi_-\varphi_)\\

&=\frac(n_2r_2-n_1r_1)-(\varphi_-\varphi_)

\end

\end

其中\(\lambda\)為波在真空中的波長,\(n_1=c/v_1\)和\(n_2=c/v_2\)分別為兩波在傳播路徑上所經介質的折射率。

可見,相位差取決於兩個因素,一是波源振動的相位差,二是折射率與路程之積的差。折射率與路程的乘積叫做光程,

\begin

\delta = nr

\end

\(\delta =n_2r_2-n_1r_1\)叫做光程差。

現在我們討論最簡單的情況,\(\varphi_=\varphi_\),\(n=1\),楊氏雙縫實驗就屬於這一情況。楊氏雙縫實驗如圖2所示。其中\(s\)是點光源,\(g\)是遮光板,其上開有兩條平行的狹縫\(s_1\)和\(s_2\),間距為\(d\)。\(h\)為觀察屏,與\(g\)距離為\(d\),在實驗條件下\(d\gg d\)。\(s_1\)和\(s_2\)是同一波面上的兩點,可看作新的波源,發出的次波在遮光板後面的空間疊加,這兩束波的初相位相同。

圖2 楊氏雙縫干涉實驗

相位差唯一取決於幾何路程差

\begin

\delta \varphi = \frac(r_2-r_1)

\end

於是,出現相長干涉的條件是

\begin

r_2-r_1 = \pm k\lambda = \pm (2k)\frac, k=0,1,2,\dots

\end

即光程差是半波長的偶數倍。

出現相消干涉的條件是

\begin

r_2-r_1 = \pm (2k+1)\frac, k=0,1,2,\dots

\end

即光程差是半波長的奇數倍。

如圖2所示,\(r_1,r_2\gg d\),\(s_1p\)與\(s_2p\)可近似看做平行,於是

\begin

\end

其中\(\theta\)為\(p\)點的角位置。

上式可以由數學得到。

\begin

\begin

r_2 &= \sqrt-rd\cos\left (\frac+\theta \right )\sin \theta}\\

\\&= \sqrt+rd\sin \theta}= r\sqrt+\frac\sin \theta}\\

\end

\end

同理,\begin

\end

\(p\)點座標與角位置關係為

\begin

\end

於是可得相長干涉(亮條紋)的位置為

\begin

r_2-r_1 = d\sin \theta=\frac=\pm k\lambda = \pm (2k)\frac, k=0,1,2,\dots

\end

出現相消干涉(暗條紋)的條件是

\begin

r_2-r_1 =d\sin \theta=\frac= \pm (2k+1)\frac, k=0,1,2,\dots

\end

即出現亮條紋的位置為

\begin

x =\pm k \frac\lambda, k=0,1,2,\dots

\end

即出現暗條紋的位置為

\begin

x =\pm (2k-1) \frac\lambda, k=0,1,2,\dots

\end

其中,\(k\)稱為條紋的級次。

相鄰明(或暗)條紋的間距為

\begin

\delta x =\frac\lambda

\end

條紋是等間距排列的。條紋間距與雙縫到觀察屏的距離成正比,與雙縫間距成反比。

條紋間距與雙縫間距成反比。

條紋間距與波長成正比。

條紋間距與波長成正比

如果用白光做光源,除**亮條紋外,起於各級條紋都帶有各種顏色。對於級數較大的條紋,不同級次的條紋因互相重疊而使條紋模糊,因此用白光做干涉實驗可以辨認的條紋數目很少,實驗一般採用單色光。

現在討論,觀察屏上光強的分布。設兩列波的光強相等,均為\(i_0\),則疊加之後的光強為

\begin

\begin

i&=a^2=i_0+i_0+2i_0\cos\delta \varphi = 2i_0(1+\cos\delta \varphi)=4i_0\cos^2\frac\\

&=4i_0\cos^2\frac=4i_0\cos^2\frac

\end

\end

matlab 楊氏雙縫干涉

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